LNG 儲罐吊頂結(jié)構(gòu)特定工況下安全性分析

賈廷亮，黃啟飛，王磊，魏可可，李修峰

(1.中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司，天津 300457；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司安全環(huán)保分公司，天津 300457)

0 引言

隨著綠色低碳發(fā)展目標(biāo)的實施，天然氣等清潔能源的使用逐漸增長。近年來為了滿足需求高峰，陸地大型天然氣儲罐數(shù)量快速增加，而儲罐的安全運行對整個行業(yè)發(fā)展非常重要。吊頂作為LNG 陸地儲罐絕熱保冷結(jié)構(gòu)組成部分，對于儲罐蒸發(fā)率有著重要影響，同時吊頂位于儲罐內(nèi)部空間，運行期間出現(xiàn)結(jié)構(gòu)不安全因素，需要停罐并進行維修，會造成很大的經(jīng)濟損失。

目前針對LNG 儲罐吊頂?shù)难芯勘容^少，主要從吊頂設(shè)計思路、難點、整體結(jié)構(gòu)，主要組成幾個方面進行了分析，在此基礎(chǔ)上對比了新型吊頂在設(shè)計技術(shù)指標(biāo)上與傳統(tǒng)吊頂之間的不同，分析了傳統(tǒng)吊頂存在的不足，同時對傳統(tǒng)吊頂結(jié)構(gòu)在常規(guī)工況下受力進行分析，探討了鋁吊頂計算理論及力學(xué)控制方程，給出了國際上現(xiàn)行設(shè)計方法和值得見解的設(shè)計思路[1-4]。

本文以吊頂結(jié)構(gòu)為研究對象，將吊桿失效作為一種目標(biāo)工況，分析了吊桿失效最不利情況下，吊頂各組成結(jié)構(gòu)應(yīng)力和位移分布特征，并結(jié)合規(guī)范，對結(jié)果的安全性進行判斷，給出最終結(jié)論。通過本文研究為儲罐工程中吊頂設(shè)計方案及后期結(jié)構(gòu)安全評價提供支持。

1 LNG 儲罐吊頂結(jié)構(gòu)

1.1 儲罐吊頂結(jié)構(gòu)組成

LNG 儲罐內(nèi)罐上端開口，主要通過吊頂覆蓋絕熱層達到絕熱的功能，而吊頂目的就是提供絕熱所需要的支撐，這種設(shè)計能夠減少內(nèi)部低溫介質(zhì)與外界的熱量交換，從而實現(xiàn)絕熱保冷。為了使保冷效果更佳，需要鋪設(shè)更厚的保冷層，這就需要吊頂承擔(dān)更大重量，防止保冷材料掉落，影響整體保冷效果。同時，吊頂還需承擔(dān)自身重量和一部分活荷載[5]。

LNG 儲罐吊頂結(jié)構(gòu)位于內(nèi)罐頂部，由吊桿、加強環(huán)和吊頂組成，吊頂通過吊桿與穹頂頂梁框架鋼結(jié)構(gòu)梁下翼緣連接，吊頂上分層鋪設(shè)保冷材料，加強環(huán)作為鋁吊頂加強結(jié)構(gòu)的分環(huán)布置在吊頂上，吊桿通過加強環(huán)與吊頂連接。以20 萬立方米LNG 儲罐為例，吊頂?shù)陌霃竭_到40.4 m，共設(shè)有加強環(huán)12 圈，吊桿沿環(huán)狀分布，穹頂鋼結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 儲罐吊頂結(jié)構(gòu)模型

建立吊頂結(jié)構(gòu)有限模型，需要考慮真實的結(jié)構(gòu)，同時為了保證計算結(jié)果準(zhǔn)確的情況下，盡量簡化，提升計算效率。分別建立吊頂和吊桿模型，其中加強環(huán)結(jié)構(gòu)采用stringer 方式建立。模型中吊桿和加強環(huán)使用梁單元模型，吊頂鋁板采用殼單元建模。吊桿和加強環(huán)橫截面為矩形，梁單元方向需要通過旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)。吊頂鋁板與加強環(huán)共節(jié)點，即使梁、殼作用點重合。吊桿需要單獨建模，然后利用組合方式，將吊桿和加強環(huán)綁定。最后建立的有限元模型如圖2 所示。

圖2 吊頂結(jié)構(gòu)有限元模型

1.3 吊頂施加荷載

建立吊頂整體結(jié)構(gòu)有限元模型，需要設(shè)置模型的邊界條件，包括位移邊界和荷載。模型的位移邊界通過吊桿上端施加固定邊界實現(xiàn)。

吊頂?shù)暮奢d主要是吊頂自重：自重主要包括吊桿、吊頂以及加強環(huán)的自身重量，有限元中通過施加豎向重力加速度實現(xiàn)。此外就是吊頂上鋪設(shè)的保冷荷載，根據(jù)實際保冷荷載厚度和密度，計算出保冷結(jié)構(gòu)的總重量，然后利用均布荷載施加在吊頂?shù)纳媳砻?，本次計算的保冷荷載為240 N/m2均布面荷載。根據(jù)規(guī)范EN 14620-1 中規(guī)定除了上述荷載，還需要考慮荷載組合，需要對吊頂上活荷載進行考慮，同樣通過施工均布面荷載實現(xiàn)，本次在鋁板上表面施加的均布面荷載為500 N/m2[6]。

1.4 吊頂結(jié)構(gòu)材料屬性

吊頂材料選擇主要根據(jù)ASTM B209M 規(guī)范，其中吊頂材料選擇B209 5083-O，加強環(huán)和吊頂為同一種材料，根據(jù)規(guī)范鋁板厚度為5 mm，加強環(huán)截面尺寸為200 mm×18 mm。由于吊桿承擔(dān)主要荷載傳遞功能，采用A276Gr 304 L 作為吊桿材料，在有限元模型中吊頂結(jié)構(gòu)詳細材料參數(shù)見表1。

表1 吊頂結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2 吊頂結(jié)構(gòu)特定工況下受力分析

2.1 吊桿失效工況分析

本文主要考慮吊頂在發(fā)生吊桿失效情況下，吊頂各結(jié)構(gòu)承擔(dān)力的變化。吊桿沿著圓環(huán)分布，見圖3。圖中每一圈吊桿都是等距離分布，是一個對稱結(jié)構(gòu)，發(fā)生任何一根吊桿失效，結(jié)構(gòu)受力是相同的，圖中紅色虛線位置為失效吊桿，由此可以進一步分析，對每一環(huán)吊桿在環(huán)向吊桿失效的影響只考慮其中一根即可。但是將12 環(huán)吊桿放在一起，就會產(chǎn)生一種最不利情況，就是當(dāng)所有環(huán)失效吊桿位于徑向同一條直線時，即穿過圓心，沿著半徑方向，畫出一條直線，各環(huán)失效吊桿都落在直線上?；谝陨显?，后續(xù)分析考慮的就是這種最不利工況。

圖3 吊桿失效工況

2.2 計算結(jié)果分析

根據(jù)2.1 節(jié)最不利工況對吊頂結(jié)構(gòu)進行了有限元計算。以第5 環(huán)吊桿計算結(jié)果為例進行分析，見圖4。從圖中可以看出，在吊桿失效情況下，同一環(huán)吊桿最大應(yīng)力發(fā)生在失效吊桿相鄰側(cè)吊桿，而靠近失效吊桿的其他吊桿應(yīng)力發(fā)生變化明顯，遠離失效吊桿的應(yīng)力變化較少，說明吊桿失效打破原有力學(xué)平衡，由失效吊桿承擔(dān)的那部分力分配給了相鄰吊桿，產(chǎn)生部分應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 吊桿應(yīng)力

圖5為加強環(huán)有限元計算結(jié)果，從圖中可以看出，在吊桿失效的最不利工況下，加強環(huán)最大應(yīng)力發(fā)生在與失效吊桿兩側(cè)與吊桿連接區(qū)域，可以看出應(yīng)力重新分布，與應(yīng)力較大吊桿連接加強環(huán)的應(yīng)力發(fā)生明顯增加，部分區(qū)域應(yīng)力集中，這也說明，吊桿在此時傳遞力全部作用在加強環(huán)上。

圖5 加強環(huán)應(yīng)力

圖6是吊頂?shù)奈灰魄闆r，從圖中可以看出，除了環(huán)向均勻分布的位移，在位于吊桿失效區(qū)域吊頂鋁板出現(xiàn)了較大的豎向位移，這些區(qū)域的位移也明顯高于其他區(qū)域，這說明吊桿失效位置發(fā)生更大變形，進一步說明吊桿對于吊頂鋁板在豎直方向上是有支撐作用的，也是一種很好的平衡。

圖6 吊頂鋁板位移

圖7是對比分析了在吊桿失效前后，各環(huán)吊桿最大應(yīng)力分布及變化情況。從圖中可以看出，吊桿失效后，導(dǎo)致各環(huán)吊桿的最大應(yīng)力增加。從圖中曲線變化趨勢可以看出，雖然吊桿失效，但是每一環(huán)承擔(dān)作用力的比例變化較小，說明在力的平衡過程中，重新分配力的過程與前面初始平衡狀態(tài)是一致的。

圖7 各環(huán)吊桿最大應(yīng)力

3 吊頂結(jié)構(gòu)安全分析

根據(jù)規(guī)范EN14620 中5.2.1.3.1 節(jié)規(guī)定，吊桿的許用應(yīng)力根據(jù)不同分析工況選擇，本次計算吊桿失效的最不利工況選擇吊桿的許用應(yīng)力為137 MPa。

根據(jù)規(guī)范EN14620 中5.2.1.3.1 節(jié)規(guī)定，加強環(huán)許用應(yīng)力要根據(jù)焊接系數(shù)的取值確定，本次計算選用對接焊，故加強環(huán)許用應(yīng)力取64.2 MPa。

根據(jù)規(guī)范EN14620 中5.2.1.3.1 節(jié)規(guī)定，鋁板許用應(yīng)力根據(jù)焊接方式確定，當(dāng)采用單面搭接焊時，鋁板許用應(yīng)力值取32.1 MPa。由于鋁板比較薄，變形作為主要判斷依據(jù)。根據(jù)GB 50429—2007 《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》條文說明中4.4.1 節(jié)內(nèi)容，同時結(jié)合工程實踐經(jīng)驗給出的限值。對于連續(xù)的大面積結(jié)構(gòu)面板，其撓度根據(jù)建筑類型有明確要求，在本次計算中吊頂鋁板設(shè)定的位移限值為80 mm。

表2給出了吊頂結(jié)構(gòu)在吊桿失效最不利工況下最大應(yīng)力和許用應(yīng)力值。從表中可以看出，吊桿最大應(yīng)力為55.5 MPa，相比需用應(yīng)力余量較大，說明吊桿結(jié)構(gòu)是安全的。加強環(huán)最大應(yīng)力值為45.4 MPa 小于64.2 MPa 的許用應(yīng)力，說明加強環(huán)也是安全的。表3給出了鋁吊頂最大位移，從結(jié)果可以看出，吊頂最大位移57.35 mm 小于極限位移80 mm，滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)是安全的。

表2 吊桿失效工況下應(yīng)力安全分析結(jié)果

表3 吊桿失效工況下位移安全分析結(jié)果

4 結(jié)語

(1)當(dāng)?shù)蹴斔协h(huán)失效吊桿位于徑向同一條直線時，處于最不利工況，此時同一環(huán)吊桿最大應(yīng)力發(fā)生在失效吊桿相鄰側(cè)吊桿，而靠近失效吊桿的其他吊桿應(yīng)力發(fā)生變化較大。

(2)在吊桿失效的最不利工況下，加強環(huán)最大應(yīng)力發(fā)生在與失效吊桿兩側(cè)與吊桿連接區(qū)域，吊桿失效位置吊頂鋁板發(fā)生更大變形。

(3)吊桿失效最不利工況下，吊頂?shù)鯒U、加強環(huán)、吊頂鋁板滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全。